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Dokumentenidentifikation DE19536644A1 03.04.1997
Titel Analoges Funktionsnetzwerk zur Vorgabe einer Kennlinie
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Kahles, Patric, Dipl.-Ing., 76534 Baden-Baden, DE;
Kern, Robert, Dipl.-Ing., 77887 Sasbachwalden, DE
DE-Anmeldedatum 30.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536644
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G06G 7/12
IPC-Nebenklasse H05B 41/36   
Zusammenfassung Ein analoges Funktionsnetzwerk bildet eine vorgegebene Kennlinie (21) hardwaremäßig nach. Die Kennlinie (21) wird in eine bestimmte Anzahl von n Intervallen (21, 22, 23, 24 und 25) unterteilt. Für jedes Intervall wird durch eine analoge Schaltung eine zugehörige Einzelfunktion erzeugt. Nur die im jeweils aktiven Intervall erzeugte Einzelfunktion wird am Ausgang aktiviert. Die Erfindung ist besonders geeignet zur Erzeugung der sogenannten Vediliskurve, bei welcher für eine Hochdruck-Gasentladungslampe, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer eingesetzt ist, zu einer bestimmten Lampenspannung ein jeweils zugehöriger Lampenstrom ermittelt wird, welcher als Sollwert für den nachfolgenden Stromregelkreis dient, um eine bestimmte, ggf. konstante Lampenleistung zu erzielen.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem analogen Funktionsnetzwerk zur Vorgabe einer Kennlinie der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten analogen Funktionsnetzwerk dieser Art, wie es z. B. beschrieben ist in dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 3. Auflage 1974, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, Seiten 271-275, werden Kennlinien durch Überlagerung und entsprechende Addition verschiedener Einzelfunktionen dargestellt. Dazu werden in der schaltungstechnischen Realisierung mittels Dioden- und Widerstandsnetzwerken sowie Operationsverstärkern eine Grundfunktion und eine Anzahl von Differenzfunktionen erzeugt, Diese Differenzfunktionen werden nacheinander so auf die Grundfunktion aufsummiert, daß der gewünschte Kennlinienverlauf entsteht.

Bei dieser bekannten Methode der Addition verschiedener Einzelfunktionen sind die erzeugten Funktionen immer von der jeweiligen Vorgängerfunktion abhängig, da nur die Differenz zwischen Soll- und Istfunktion im entsprechenden Intervall hinzu addiert wird. Da die analoge schaltungstechnische Realisierung immer fehlerbehaftet ist, addieren sich mit zunehmender Zahl der Einzelfunktionen auch die Ungenauigkeiten der Realisierung hinzu. Erschwerend kommt hinzu, daß bei möglichst genauer Annäherung der Ist- an die Sollfunktion die Anzahl der nötigen Einzelfunktionen ebenfalls zunimmt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße analoge Funktionsnetzwerk zur Vorgabe einer Kennlinie mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil der bereits vom Prinzip her größeren Genauigkeit bei der analogen Realisierung. Da erfindungsgemäß die erzeugten Einzelfunktionen direkt ausgewertet werden, also nicht addiert werden, ist der entstehende Fehler nur auf den Fehler der Einzelfunktion beschränkt. Ein additiver Fehler durch Aufsummierung von Einzelfehlern kann nicht entstehen.

Dies wird erfindungsgemäß prinzipiell dadurch erreicht, daß die Kennlinie in eine bestimmte Anzahl von n Intervallen unterteilt wird, für jedes Intervall eine analoge Schaltung eine zugehörige Funktion erzeugt, und daß nur die im jeweils aktiven Intervall erzeugte Funktion am Ausgang aktiv ist.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen analogen Funktionsnetzwerks möglich.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jede einem Intervall zugehörige Einzelfunktion durch einen geschlossenen Regelkreis realisiert, und alle Regelkreise sind derart auf einen Ausgangswiderstand geschaltet, daß nur jeweils dort derjenige Regelkreis allein wirksam ist, dessen Ausgangsspannung den momentan größten Ausgangswert aufweist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß jeder Regelkreis einen beschalteten Operationsverstärker enthält. Dabei ist es besonders zweckmäßig, daß jedem Regelkreis ein nachgeschalteter Transistor zugeordnet ist, der von der Ausgangsspannung seines Operationsverstärkers über seinen Steuereingang derart geschaltet wird, daß nur sein Wert am Ausgang bzw. Ausgangswiderstand jeweils wirksam ist. Bei Verwendung eines ASIC ist zweckmäßigerweise der nachgeschaltete Transistor durch den internen Ausgangstransitor realisierbar.

Das erfindungsgemäß gestaltete analoge Funktionsnetzwerk wird in weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung zur Erzeugung der sogenannten Vediliskurve verwendet, bei welcher für eine Hochdruck-Gasentladungslampe, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer eingesetzt ist, zu einer bestimmten Lampenspannung ein jeweils zugehöriger Lampenstrom ermittelt wird, welcher als Sollwert für den nachfolgenden Stromregelkreis dient, um eine konstante Lampenleistung zu erzielen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vedilis-Kurve, die als Strom-/Spannungskurve als Sollwertkurve analog nachgebildet werden soll;

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Vedilis-Kurve durch fünf Geradenstücke angenähert;

Fig. 3 schematisch ein Schaltungsbild zur erfindungsgemäßen Erzeugung einer Kennlinie, insbesondere der in Fig. 2 dargestellten, und

Fig. 4 beispielhaft zwei Geraden, die als Einzelfunktionen durch die in Fig. 3 dargestellte Schaltung erzeugt und zur Nachbildung der Vedilis-Kurve benutzt werden.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine sogenannte Vedilis-Kurve 1 dargestellt, die als Strom-/Spannungskurve im Sinne einer Sollwertkurve analog als Kennlinie nachgebildet werden soll. Eine solche Vedilis-Kurve ist in den "System Specifications for Field Test" des VEDELIS Eureka Project 273 auf Seite B 1/3 als Strom-/Spannungskennlinie vorgegeben für in Kraftfahrzeugen einzusetzende Gasentladungslampen. Dabei steht "Vedilis" als Abkürzung für "Vehicle Discharge Light System". Zur Regelung der Lampenleistung einer Gasentladungslampe wird danach in der Anlauf- bzw. Brennphase die Lampenspannung u- gemessen und aus der Vedilis- Kurve gemäß Fig. 1 der entsprechende, zur jeweiligen Lampenspannung uL gehörige Lampenstrom iV = f(uL) ermittelt. Dieser Lampenstrom iV dient dann als Sollwert für den nachfolgenden Stromregelkreis, mit dem die Lampenleistung auf einen konstanten Wert, z. B. 35 W geregelt wird. In Fig. 1 ist das Stromprofil der Vedilis-Kurve als Funktion der Lampenspannung, d. h. iV = f(uL), zwischen 0 und 130 V dargestellt.

Gemäß der Erfindung soll allgemein eine vorgegebene Kennlinie durch ein analoges Funktionsnetzwerk hardwaremäßig dargestellt und realisiert werden. An Hand der Vedilis-Kurve wird dies nachfolgend beispielhaft erläutert. Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird die Kennlinie 1 in Fig. 1, in eine bestimmte Anzahl von n Intervallen unterteilt, für jedes Intervall wird durch eine analoge Schaltung eine zugehörige Funktion erzeugt, und schließlich wird nur die im jeweils aktiven Intervall erzeugte Funktion am Ausgang aktiviert.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte Vedilis-Kurve 1 durch fünf Geraden angenähert dargestellt. Das heißt, die Kurve 21 ist zwischen uV = 0 Volt und uL = Ulmax = 130 Volt in n Intervalle 22, 23, 24, 25, und 26 unterteilt. Damit beträgt n in diesem Beispiel fünf. Der Nennstrom ist dabei eine Funktion der gemessenen Lampenspannung, d. h. In = f(uL). Kurve 21 ist im Abschnitt bzw. Intervall 22 von 0 bis ca. 23 V, im Abschnitt bzw. Intervall 23 von ca. 23 bis ca. 37 V, im Abschnitt bzw. Intervall 24 von ca. 37 bis ca. 63 V, im Abschnitt bzw. Intervall 25 von ca. 63 bis ca. 90 V und im Abschnitt bzw. Intervall 26 von ca. 90 bis 130 V durch fünf verschiedene Geraden, allgemein gesehen durch n verschiedene Einzelfunktionen, dargestellt. Diese fünf Intervalle 22-26 ergeben angenähert die in Fig. 1 dargestellte Vedilis- Kurve 1. Diese fünf Einzelfunktionen werden als Geraden der Form

yn = an* x + bn

mittels je eines Regelkreises, insbesondere in Form eines beschalteten Operationsverstärkers, als analoges Funktionsnetzwerk realisiert. Dabei bildet jeder geschlossene Regelkreis diejenige Funktion nach, die sein entsprechend beschalteter Operationsverstärker realisiert. Weiterhin werden erfindungsgemäß diese Regelkreise so mit dem Ausgang verbunden, daß dort nur jeweils diejenige Einzelfunktion aktiv ist, die dem momentan größten y-Wert aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Steigungen an der Einzelfunktionen und der verschiedenen Offsetwerte bn der Einzelfunktionen, lösen sich diese entsprechend der Lampenspannung uL nacheinander gegenseitig ab und ergeben somit den gewünschten Verlauf der Kurve 21, die die darzustellende Kennlinie bildet.

In Fig. 3 ist weitgehend schematisch eine Schaltung dargestellt, durch die die erfindungsgemäße Realisierung einer darzustellenden Kennlinie erfolgen kann. An einem Anschluß 31 ist eine Referenzspannung Uref, beispielsweise von +5 V, angelegt. An einem zweiten Anschluß 32 wird die Eingangsspannung UE angelegt, die beispielsweise den gemessenen Wert der Lampenspannung uL gemäß der Kennlinie 21 von Fig. 2 repräsentiert. An einem Ausgang 33 liegt die Ausgangsgröße, z. B. in Form einer den Nennstrom IN gemäß Fig. 2 repräsentierenden Ausgangsspannung UA an. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung enthält fünf geschlossene Regelkreise 34, 35, 36, 37 und 38. Die Ausgänge dieser Regelkreise 34-38 sind jeweils auf den Steuereingang eines zugeordneten Transistors T1, T2, T3, T4 und T5 geführt. Jeder der Regelkreise 34-38 realisiert eine Einzelfunktion, die z. B. in den Intervallen 22 bis 26 gemäß Fig. 2 aktiv ist. Das aktiv sein bedeutet, daß über den jeweils durchschaltenden einen der Transistoren T1-T5 diese jeweils zugehörige Einzelfunktion am Ausgang 33 wirksam ist.

Jedem der Regelkreise 34-38 wird die Eingangsspannung UE zugeführt. Über eine Spannungsteilerkette aus den Widerständen R3, R4, R5, R6, R7 und R8, die zwischen dem Anschluß 31 mit der Referenzspannung Uref und dem mit 0 bezeichnetem Erdpotential liegt, werden die einzelnen Regelkreise 34-38 mit verschiedenen Referenzpotentialen, die zwischen den einzelnen Widerständen R3-R8 abgegriffen werden, beaufschlagt.

Jeder Regelkreis 34-38 ist in vorteilhafter Ausgestaltung mit je einem beschalteten Operationsverstärker 390, 391, 392, 393 und 394 realisiert. Die Referenzpotentiale der Spannungsteilerkette aus den Widerständen R3-R8 sind auf die negativen Eingänge der Operationsverstärker 390-394 geführt, während die sich ändernde Eingangsspannung UE jeweils über je einen entsprechend zugeordneten Eingangswiderstand R9, R10, R11, R12 und R13 auf die positiven Eingänge der genannten Operationsverstärker 390-394 geführt sind. Jeder der Operationsverstärker 390-394 ist über einen Kondensator C40-C44 von seinem Ausgang auf den negativen Eingang rückgekoppelt. Desweiteren ist jeder Operationsverstärker 390-394 mit je einem Ausgangswiderstand R19, R20, R21, R22 und R23 beschaltet. Über diese Ausgangswiderstände R19-R23 werden die Basisanschlüsse der zugehörigen Transistoren T1-T5 angesteuert. Alle Kollektoren der Transistoren sind miteinander, mit dem Ausgang 33, der einem Pol des Ausgangswiderstands R29 bildet, und mit jeweils einem Widerstand R14, R15, R16, R17 und R18 verbunden. Diese Widerstände R14-R18 sind auf ihrer anderen Seite mit dem jeweiligen positiven Eingang des jeweiligen Operationsverstärkers 390-394 verbunden. Die Emitter der Transistoren T1-T5 sind jeweils über einen Widerstand R24, R25, R26, R27 und R28 mit dem Anschluß 31 verbunden, an dem die Referenzspannung Uref anliegt.

Die einzelnen Regelkreise 34-38, welche die fünf verschiedenen Einzelfunktionen erzeugen, werden über die Transistoren T1-T5 gekoppelt. Das Ausgangssignal UA wird am Ausgangswiderstand R29 am Ausgang 33 abgegriffen. Der Ausgangswiderstand R29 liegt mit seinem zweiten Anschluß auf dem mit 0 bezeichneten Erdpotential. Die Offsets bn der einzelnen Geradengleichungen im dargestellten Ausführungsbeispiel werden durch die Werte der Spannungsteilerkette aus den Widerständen R3-R8 erzeugt. Die Steigungen an der Einzelfunktionen werden durch die jeweiligen Kombinationen der beiden Widerstandspaare R9 und R14, R10 und R15, R11 und R16, R12 und R17 sowie R13 und R18 bestimmt.

Die Dimensionierung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung zur erfindungsgemäßen Erzeugung der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie sieht folgende Werte vor:

Uref = 5 V, R3 = 7,6 kΩ, R4 = 536 Ω, R5 = 226 Ω, R6 = 196 Ω, R7 = 226 Ω, R8 = 1,43 kω, R9 = 17,4 kΩ, R10 = 13,7 kΩ, R11 = 66,5 kΩ, R12 = 97,6 kΩ, R13 = 147 kΩ, R14 = 23,2 kΩ, R15 = 36,5 kΩ, R16 = 11,8 kΩ, R17 = 11 kΩ, R18 = 10,7 kΩ, R19-R23 je 47 kΩ, R24-R28 je 280 Ω, R29 = 1 kΩ und C40-C44 je 22 pF.

Anhand zweier Einzelfunktionen für die Intervalle 25 und 26 in Fig. 2 soll nunmehr in Verbindung mit Fig. 4 die Arbeitsweise der beiden zugehörigen Regelkreise 34 und 35 erläutert werden. Regelkreis 34 erzeugt die Einzelfunktion

Y = -1,33 * UE + 3,02, mit 434 in Fig. 4 dargestellt,

und der Regelkreis 35 erzeugt die Einzelfunktion

y = -2,66 * UE + 3,75, die mit 435 in Fig. 4 dargestellt ist.

Es sei nun angenommen, daß die Eingangsspannung UE = 800 mV beträgt. Damit stellen sich folgende Ausgangsspannungen an den Regelkreisen 34 und 35 an:

Ua34 = 1,956 V und Ua35 = 1,622 V.

Der Regelkreis 34 stellt über den nachgeschalteten Transistor T1 und die Rückkopplung R14 diese Ausgangsspannung an dem Ausgangswiderstand R29 ein. Weil die nachgeschalteten Transistoren T1-T5 nur positives Potential an den Ausgangswiderstand R29 legen können, und weil am Ausgang des Regelkreises 35 ein niedrigeres Ausgangspotential als an dem Regelkreis 34 anliegt, sperrt der Regelkreis 35 seinen nachgeschalteten Transistor T2. Damit bestimmt nur der Regelkreis 34 das Ausgangspotential über dem Ausgangswiderstand R29. Sinkt die Eingangsspannung UE ab, so ergibt sich ein Wechsel, d. h. aufgrund der Einzelfunktion führt ab einer bestimmten Eingangsspannung UE der Regelkreis 35 die gegenüber dem Regelkreis 34 größere Ausgangsspannung und ist somit für das Ausgangspotential am Ausgangswiderstand R29 bestimmend.

Es sei nun angenommen, daß die Eingangsspannung UE = 300 mV beträgt. Damit stellen sich folgende Ausgangsspannungen an den Regelkreisen 34 und 35 an:

Ua34 = 2,621 V und Ua35 = 2,952 V.

Der Regelkreis 35 stellt jetzt über den nachgeschalteten Transistor T2 und die Rückkopplung R15 diese Ausgangsspannung an dem Ausgangswiderstand R29 ein. Weil die nachgeschalteten Transistoren T1-T5 nur positives Potential an den Ausgangswiderstand R29 legen können, und weil am Ausgang des Regelkreises 34 ein niedrigeres Ausgangspotential als an dem Regelkreis 35 anliegt, sperrt der Regelkreis 34 seinen nachgeschalteten Transistor T1. Damit bestimmt nur der Regelkreis 35 das Ausgangspotential über dem Ausgangswiderstand R29, d. h. nur die von diesem Regelkreis erzeugte Einzelfunktion ist für die Ausgangsspannung UA bestimmend.

Entsprechend einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung können die nachgeschalteten Transistoren T1-T5 bei Verwendung von ASICs, d. h. anwendungsspezifizierter integrierter Schaltkreise, durch die internen Ausgangsstufentransistoren der einzelnen Operationsverstärker realisiert werden.

Durch das erfindungsgemäß gestaltete und betriebene analoge Funktionsnetzwerk zur Vorgabe einer Kennlinie wird nur jeweils diejenige Einzelfunktion am Ausgang wirksam, die gerade bestimmend ist. Der eventuell vorhandene Fehler ist somit auf den Fehler der Einzelfunktion beschränkt.


Anspruch[de]
  1. 1. Analoges Funktionsnetzwerk zur Vorgabe einer bestimmten Kennlinie (21), beispielsweise als Sollwertkurve, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie (21) in eine bestimmte Anzahl von n Intervallen (22, 23, 24, 25, 26) unterteilt wird, für jedes Intervall eine analoge Schaltung eine zugehörige Funktion erzeugt, und daß nur die im jeweils aktiven Intervall erzeugte Funktion am Ausgang aktiv ist.
  2. 2. Analoges Funktionsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einem Intervall (22, 23, 24, 25, 26) zugehörige Einzelfunktion durch einen geschlossenen Regelkreis (34, 35, 36, 37, 38) realisiert wird, und alle Regelkreise derart auf einen Ausgangswiderstand (R29) geschaltet sind, daß nur jeweils dort derjenige Regelkreis allein wirksam ist, dessen Ausgangsspannung den momentan größten Ausgangswert aufweist.
  3. 3. Analoges Funktionsnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Regelkreis (34-38) einen beschalteten Operationsverstärker (390-394) enthält.
  4. 4. Analoges Funktionsnetzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Regelkreis (34-38) ein nachgeschalteter Transistor (T1-T5) zugeordnet ist, der von der Ausgangsspannung seines Operationsverstärkers (390-394) über seinen Steuereingang derart geschaltet wird, daß nur sein Wert am Ausgang (33) bzw. Ausgangswiderstand (R29) jeweils wirksam ist.
  5. 5. Analoges Funktionsnetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines ASIC der nachgeschaltete Transistor (T1-T5) durch den jeweiligen internen Ausgangstransitor des Operationsverstärkers (390-394) realisierbar ist.
  6. 6. Analoges Funktionsnetzwerk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Erzeugung der sogenannten Vedilis-Kurve (1, 21) verwendet wird, bei welcher für eine Hochdruck-Gasentladungslampe, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer eingesetzt ist, zu einer bestimmten Lampenspannung (uL) ein jeweils zugehöriger Lampenstrom (IN) ermittelt wird, welcher als Sollwert für den nachfolgenden Stromregelkreis dient.






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